TDC7200高精度超声波流量计
摘要:超声波流量计有非接触、安装方便等优点，在国民生产中有着广泛的应用，设计了一种基于TDC7200的时差法超声波流量计。系统选用高精度的时间测量芯片TDC7200为核心，以STM32FB407为控制芯片，用模拟前端TDC1000芯片替代了以往超声波流量计的模拟电路，将对流量的测量转换为对时间的测量，实现时间测量精度可达ps量级。分析了时差法超声波流量计的测量原理，介绍了TDC7200芯片的详细信息，阐述了超声波流量计的硬件结构和软件设计，完成了流量计的初步测试工作。设计的流量计在实测环境中体现出了较高的精度，静态水流中顺流和逆流时间差很平稳，标准差达到0.179ns。
在许多生产和计量场景中，为了保证产品质量、提高生产效率、准确计量收费等，都需要对流体流量进行地测量，测量流体流量的仪器仪表被称为流量仪或者流量计［1］。早在1931年，法国的Ｒutten就提出了根据超声波信号传播的时间差来完成对流体流量的测量［2］。
此后，超声技术就逐渐被实际应用于流量测量，利用超声波在流体中的传播特性，将对流量的测量转换为对时间、频率等参数的测量，结合其他物理参数再计算出流量，具有精度高、非接触、不破坏流体等优势。根据测量原理的不同，又可以分为时差法、频差法、多普勒法、相关法以及波束偏移法等［3］。因为成本和使用便利性等原因，其中时差法和多普勒法应用较为广泛，但是多普勒法的测量精度不高，实际应用中时差法使用得***多。
本文所设计的流量计采用了时差法，利用超声波在顺流和逆流的传播时间会受到流体速度的影响，通过两者的时间差值计算出流体的速度，而时间差的精度几乎决定了整个测量结果的精度。如今，集成电路技术的飞速发展，相继出现了高度集成的时间数字转换芯片(timetodigitalconverter，
1、时差法测量原理：
时差法超声波流量计的测量原理［4-5］，超声波在动态的流体中，超声波在顺流和逆流方向传播的距离相同，顺流时与流体运动分量正向叠加从而传播速度增加，传播时间减小，而逆流时与流体运动分量反向叠加从而传播速度减小，传播时间增加。因此顺逆流方向声波传播时间与逆流方向超声波传播时间会有差值。基于时差法的超声波流量计的核心原理，根据流体介质的流速与上述时间差为线性关系，只要准确测量出时间差，就可以间接得到瞬时流速，从而可以求出流体的瞬时流量［6］。超声波时差法测量原理如图1所示。
图1超声波时差法测量原理
图1中t1为上游换能器发射、下游换能器接收时，超声波在管道中的传播时间，即顺流时间;t2为下游换能器发射、上游换能器接收时，超声波在管道中传播时间，即逆流时间［7］。取流体的流速为V，超声波在流体中的传播速度为C，管道直径为D，两个超声波换能器的安装角度为θ。上下游超声换能器交替发射和接收超声波，设顺逆流传播的时间差为ΔT［8］，顺流时间为:
由式(4)可知流体的速度V与顺逆流的时间差ΔT成正比关系，要提高流量计的测量精度，则需提高对超声波传播时间的测量精度［10］。管道截面积和安装角度等参数确定后，根据上下游超声波传播的时间差就能实时测量出瞬时流量。
2、TDC7200芯片介绍：
超声波传播时间的测量精度是流量计的设计的核心问题。TDC7200是德州仪器TI公司于2015年推出的、面向水、燃气、热量计量应用的时间数字转换芯片，其分辨率达到了55ps，标准偏差为35ps，并且***多可支持5个STOP信号，使用户可以灵活选择***佳的STOP信号。芯片内置自校准时基，可对时间和温度偏差进行补偿，这一自校准功能使得时间数字转换器能够获得ps级精度。接口方面，TDC7200支持SPI串行总线通讯，可以非常方便地由MCU完成指令配置、数据读取等操作。
图2TDC7200的功能模块
图3TDC7200模式2的工作时序
3、超声波流量计：
设计流量计使用上述的TDC7200用于超声波传播的高精度时间测量，使用低功耗32位AＲM芯片STM32FB407作为整个系统的主控制芯片，主要完成指令配置、数据计算以及上位机通信［11-12］。同时，使用同是TI公司生产的TDC1000芯片作为模拟前端，驱动换能器发出超声波以及处理接收到的回波。系统整体框图如图4所示。
图4流量计系统框图
根据超声波在流体中的传播速度和需要传播的距离可估算出需要的测量时间在us量级，因此设定TDC7200的工作模式为模式2，测量范围为250ns～8ms。在模式2中，TDC7200需要同时使用内部振荡器和外部时钟，外部时钟使用了一块频率为8MHz的有源晶振，提供稳定的时钟信号。TDC7200通过SPI总线和主控芯片STM32FB407相连，接收指令并传输测量结果。TDC7200收到测量指令后TＲIGG管脚发出测量触发信号给TDC1000，STAＲT管脚立刻准备接收STAＲT信号并在收到STAＲT信号后启动计时，而当STOP管脚接收到符合设定要求的STOP信号后停止计数，随后INTB管脚向主控芯片STM32FB407发出中断信号表示测量完成。时间测量芯片TDC7200的核心电路如图5所示。
为了能够更好地驱动超声波换能器并准确处理接收到的超声波，设计中使用TDC1000替代了通常使用的超声波模拟驱动电路。TDC1000是TI公司生产的一款适用于超声波测量应用的模拟前端，测量宽度可达8ms，包含了两个可以自动切换的超声波测量通道，可以满足本设计中需要分别测量顺流时间和逆流时间的要求。同时，TDC1000可以驱动工作频率范围在31.25kHz～4MHz的超声波换能器，并且内部集成了低噪声、可编程的增益放大器，也可以设定接收波形的阈值比较器的门限，针对较
图5TDC7200核心电路
图6TDC1000电路
3.3、软件设计：
系统软件设计使用了意法半导体公司的STM32cubeMX软件工具，可以快速配置系统时钟和管脚功能，并且自动配置好FreeＲTOS嵌入式实时操作系统，提高开发效率和系统稳定性。然后用用C语言在Keil5中编写代码。
图 7 系统流程
4、系统测试：
系统测试中中选用了杭州安布雷拉公司生产的 DYW-1 M-01E 型超声波换能器，是一款工作频率为 1 MHz 的超声波换能器，能够发送并接收超声波［15］。将上下游两个超声波换能器放置在常温静态水流中测试静态数据，分别连接到流量计电路的两个通道中，换能器驱动端升压至 30 V驱动，安装位置与水流的角度为 45°，测试管径为 4. 8 cm。设定 TDC1000 每次发送 3 个波形，使用程序控制切换通道，发送端和接收端的波形如图 8 所示。
图 8 超声波收发波形图 9 测量时间曲线图
可以看到顺流和逆流的传播时间曲线的走势基本一致，播时间值的均值分别为 4 682. 2 和 4 682. 1 ns，并且标准差都小于 0. 53 ns，顺流和逆流的传播时间波动由环境震动等干扰因素引起; 顺流和逆流的传播时间差值曲线整体很平稳，均值为 1. 086 ns，标准差为 0. 179 ns，均值 1. 086 ns的平均时间差换算为超声波传播距离约 1. 57 μm，可能由换能器的安装位置角度、制造工艺等因素引起。
5、结论：
本文分析了时差法流量测量理论方法，以由 TDC7200时间测量模块为核心，采用可编程设定的 TDC1000 替代了以往超声波流量计的模拟电路，设计了一种时间测量 ps 级分辨率的高精度超声波流量计，可以满足非接触、非破坏要求的测量场景。同时，高精度、稳定的时间测量还可以运用在液位检测、密度检测、温度检测等领域，具体一定的普适性。从***终的实测数据和曲线中可以看到，流量计中的时间测量精度很高，稳定性也很好，在高精度的时间测量基础上，结合液体横截面和安装角度等参数，加上数字滤波等操作可以完成高精度的流量测量，对流量计的进一步设计和实现具有参考和指导意义。